基于φ型垂直軸風力機的風力致熱裝置設(shè)計

金 浩 胡以懷 張華武 馮是全 朱 冰

1.廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司

2.上海海事大學商船學院

引言

霧霾壓力起到一定緩解作用。

風通常帶來的是涼爽和寒冷，但它作為一種自然能從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，能產(chǎn)生機械能、電能，也能轉(zhuǎn)換為熱能。在我國北方地區(qū)，當寒流襲來的時候，往往伴隨著凜冽的寒風，這時利用風能供熱采暖，可以說是資源優(yōu)勢與需求關(guān)系的最佳配合。風力致熱是繼風帆助航、風力提水和風力發(fā)電之后又一種新的風能利用形式，可直接將風力機輸出的機械能轉(zhuǎn)變成熱能，為供熱采暖、保溫、干燥、水產(chǎn)養(yǎng)殖和家禽飼養(yǎng)等提供中、低品味的熱能。

風力致熱主要分為固體摩擦致熱、攪拌液體致熱、液壓阻尼致熱、渦電流致熱、壓縮空氣致熱和組合式致熱六種致熱方式，其中攪拌液體致熱的優(yōu)點是：①風力機輸出軸直接帶動攪拌器，任何轉(zhuǎn)速下攪拌器都能吸收輸入的全部能量，并將其轉(zhuǎn)換成熱能；②攪拌器與風力機的工作特性能合理的匹配；③不需要另外設(shè)置超速限制裝置；④致熱器結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、成本低、可靠性高，對結(jié)構(gòu)材料、風速變化和工作液體無特殊要求；⑤在一定范圍內(nèi)可實現(xiàn)自動熱循環(huán)[1-4]?；讦招痛怪陛S風機的攪拌液體風力致熱裝置在為可再生能源的應用和發(fā)展拓展出新思路的同時又能減少供暖的燃煤消耗，對

1 風力致熱供熱采暖系統(tǒng)

采用三葉片、葉片形狀為拋物線形的φ型垂直軸風力機，在風速8m·s-1時致熱功率為2kW，要求在這個風速下效率最佳，此時風力機的轉(zhuǎn)速為200r·min-1，葉片翼型為NACA0015翼型，風力機高度以其最大半徑的2.5倍來設(shè)計一套攪拌液體風力致熱裝置，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風力致熱供熱采暖系統(tǒng)示意圖

風力致熱采暖系統(tǒng)是利用風力致熱裝置捕捉風能并轉(zhuǎn)換成熱能，以液體（通常是水或一種防凍液體）作為攪拌介質(zhì)，熱量經(jīng)由散熱部件送至室內(nèi)進行供暖。風力致熱采暖系統(tǒng)一般由風力機、致熱裝置、儲熱水箱、連接管路、輔助熱源、散熱部件及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。在風力致熱裝置循環(huán)回路中若采用水，則在冬季風力機沒有運轉(zhuǎn)時需采取防凍措施；若采用防凍液，則需在風力致熱裝置和儲熱水箱之間采用一個液-液熱交換器，將加熱后防凍液的熱量傳遞給采暖用的熱水。若應用熱風采暖，則需采用一個水-空氣熱交換器（稱為負載熱交換器），將加熱后水的熱量傳遞給采暖用的熱空氣。當儲熱水箱的熱量不能滿足需要時，則由輔助熱源供給采暖熱負荷。

2 φ型垂直軸風力機參數(shù)計算

2.1 風力機設(shè)計

垂直軸風力機的設(shè)計主要包括：選擇垂直軸風力機類型、估算整個裝置系統(tǒng)的效率、進行垂直軸風力機的空氣動力學設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝置系統(tǒng)設(shè)計等。

選擇垂直軸風力機類型時，首先要確定負荷形式。如果負荷是機械設(shè)備（如水泵、空氣壓縮機等），則風力機需要較高的啟動力矩和較低的轉(zhuǎn)速，宜選擇阻力型垂直軸風力機。如果負荷是致熱裝置或者發(fā)電機，則風力機要具有較低的啟動力矩和較高的轉(zhuǎn)速，宜選用升力型垂直軸風力機。垂直軸風力機的氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個設(shè)計的主要方面，它們各自具有一定的獨立性。但是，在整個設(shè)計過程中將兩者綜合加以考慮是很有必要的。

因此，垂直軸風力機的設(shè)計是一個反復試算的過程，其一般設(shè)計流程可參考圖2所示的框圖。設(shè)計中如何考慮這些因素，取決于風動力做功裝置的功率大小和規(guī)模。但無論機組大小如何，綜合考慮這些因素都是有益的。

2.2 參數(shù)計算

φ型風力機最大輸出功率計算式為[5]:

式中，Pw——φ型風力機的功率，W；

圖2 垂直軸風力機的設(shè)計流程

S——風力機掃風面積，m2;

V——風速，m·s-1。

故風力機掃風面積估算為：

φ型風力機掃風面積幾何參數(shù)表示為：

式中，R——風力機最大半徑，m；

H——風力機高度，m。

風力機高度為： H=2.5R=5.5m

最佳運行狀態(tài)時的葉尖速比λ0為:

式中，N0——風力機額定轉(zhuǎn)速，r·min-1

J.Templin的研究表明，葉尖速比λ0與R/b l的關(guān)系可表達為[5]：

由式（4）可求得葉片弦長：

式中，b——葉片數(shù)。

由于NACA0015翼型的相對厚度為15%，則葉片最大厚度為：

可計算得φ型風力機的實度為：

φ型風力機的功率為：

對比式（1）和式（5）可得φ型風力機最大風能利用系數(shù)為：

φ型風力機轉(zhuǎn)矩為：

式中，ωT——風力機的角速度，rad·s-1。

2kWφ型垂直軸風力機設(shè)計參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 φ型風力機設(shè)計參數(shù)

3 攪拌液體致熱器參數(shù)計算

攪拌液體致熱器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由攪拌桶、攪拌器、攪拌軸及阻尼板組成。攪拌桶為雙層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)裝有水，攪拌軸通過聯(lián)軸器與風力機的中心軸連接，攪拌軸帶動攪拌器轉(zhuǎn)動。阻尼板設(shè)于攪拌桶的內(nèi)壁，在攪拌桶的內(nèi)壁貼附有4塊阻尼板。當風吹動風力機轉(zhuǎn)動時，φ型風力機的輸出軸帶動致熱器的攪拌軸旋轉(zhuǎn)，攪拌軸帶動攪拌器轉(zhuǎn)動，攪拌器葉片攪動水，水與攪拌器葉片、阻尼板和攪拌桶內(nèi)壁相互摩擦、撞擊，產(chǎn)生熱量，從而水的溫度逐漸升高。

圖3 攪拌致熱器結(jié)構(gòu)示意圖

當攪拌液體致熱器穩(wěn)定運行時，致熱功率等于攪拌液體的吸收功率，其吸收功率為[6]:

式中，NP——攪拌功率準數(shù)，是攪拌裝置最基本的特性參數(shù)之一；ρL——攪拌液體的密度，ρL=1000kg·m-3；n——攪拌器轉(zhuǎn)速，r·s-1；d——攪拌器的直徑，m；Re——攪拌雷諾數(shù)。

攪拌器的轉(zhuǎn)速可表示為：

攪拌器的轉(zhuǎn)矩為：

式中，ωG——攪拌器的角速度，rad·s-1。

圖4為攪拌液體致熱器致熱功率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律[4]。由圖4可知，當轉(zhuǎn)速為700 r·min-1時，致熱功率可達2kW。當攪拌液體致熱器與φ型風力機之間傳動裝置的傳動比為k，由φ型風力機額定轉(zhuǎn)速為200r·min-1可知，k的取值范圍可取3～5，此時傳動效率為η=0.95，則風力機與致熱器之間有下面關(guān)系：

因此，根據(jù)式（14）可為給定的風力機設(shè)計相匹配的致熱器，攪拌器直徑就能確定為：

圖4 攪拌液體致熱裝置致熱特性

在攪拌容器內(nèi)，常常以攪拌器的葉端速度Λ=nd作為定性速度，所以攪拌雷諾數(shù)定義為

式中μ——攪拌液體黏度，kg·m-1·s-1。

攪拌雷諾數(shù)不僅決定攪拌容器內(nèi)液體流動的流態(tài)（層流、過渡流、湍流），而且對攪拌器的特性起決定性作用。根據(jù)雷諾數(shù)的不同，致熱器內(nèi)液體流動的流態(tài)可按攪拌雷諾數(shù)來劃分。當Re＜10時，液體為層流；Re＞104為湍流；Re在10～104之間是過渡流[6]。功率準數(shù)與攪拌雷諾數(shù)的直接關(guān)系表示為[7]：

其中B和z的值與攪拌雷諾數(shù)的大小有關(guān)。

攪拌液體為水時，在較低轉(zhuǎn)速下可獲得大于104的攪拌雷諾數(shù)。對于在額定風速下運轉(zhuǎn)的φ型風力機，攪拌液體致熱器中攪拌的液體均滿足Re＞104的條件。當Re＞104時，對3～6葉片的攪拌器，常數(shù)B=5且z=0[6-7]，此時液體吸收功率滿足下式：

在這種情況下負荷轉(zhuǎn)矩可由下式表示：

因此，由式（7）和式（20）可確定攪拌器的最佳直徑計算公式為：

將φ型垂直軸風力機的參數(shù)以及η=0.95，k=3～5，ρL=1000kg·m-3代入式（21）得:d的取值范圍為：0.290m≤d≤0.321m?？紤]到傳動裝置的傳動損失、軸與軸承之間摩擦損失和風力機轉(zhuǎn)動過程中的不平衡損失等因素，攪拌器的直徑d取值為0.300m。

攪拌液體致熱器其它參數(shù)的確定[8-9]：

⑸阻尼板長度l的確定：該數(shù)值對致熱效果的影響很小，一般情況取l=1.2hmax。

⑹致熱器整體采用0.080m厚聚氨酯保溫泡保溫。

將φ型風力機參數(shù)代入式（21），則攪拌器直徑d取值為0.300m；攪拌葉片寬度b=0.075m；攪拌桶內(nèi)徑D=0.750m；阻尼板寬度W=0.075m；液面高度范圍為：0.333m≤h≤0.414m；阻尼板長度l=0.497m；攪拌器葉片數(shù)為4，阻尼板個數(shù)為4。

4 致熱器致熱效率計算

攪拌液體致熱器效率為致熱器中流體的吸收功與輸入功之比，其計算式為：

式中，Q——流體的吸收功，J；W——致熱裝置輸入功，J；CP——液體定壓比熱容，J·kg-1·K-1；m——液體質(zhì)量，kg；ΔT——溫度變化量，K；P——致熱器輸入功率，W；Δt——時間變化量，s。

用2kW變頻電機模擬φ型垂直軸風力機進行攪拌液體致熱試驗，攪拌介質(zhì)為水（水的定壓比熱容CP=4180J·kg-1·K-1）。圖5為不同轉(zhuǎn)速下，致熱裝置輸入功率和致熱效率變化規(guī)律。由圖5可知，致熱裝置輸入功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增加；致熱效率在91%～97%范圍內(nèi)波動,平均致熱效率為94.16%，比文獻[10]（最大致熱效率為45.4%）和文獻[2]（最大致熱效率為46.4%）所設(shè)計的致熱裝置致熱效率近似高一倍左右。

圖5 致熱規(guī)律特性

由熱力學第二定律可知，攪拌液體致熱裝置的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榈推肺粺崮軙r，理論上可以得到100%的效率。但實際上，除了部分能量以振動能、聲能損失外，還由于固定聯(lián)接和測量的需要、蒸發(fā)以及保溫的不完善，空氣中溫濕度的影響，不可避免地存在散熱損失，降低致熱裝置的效率。

5 結(jié)論

在設(shè)計φ型垂直軸風力機攪拌致熱裝置的過程中，首先要根據(jù)供熱采暖負荷確定風力機尺寸，其次根據(jù)公式（21）確定攪拌單元的直徑，然后再根據(jù)攪拌致熱經(jīng)驗和參照攪拌單元直徑尺寸確定其它參數(shù)，由此可以設(shè)計出所需容量的風力致熱裝置。